1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048
2 陕西省人工影响天气中心，陕西 西安 710016
冰晶是云滴谱的重要组成部分，其对全球辐射收支平衡、全球气候变化、水文循环、人工影响天气作业等具有重要的影响。目前2~100 μm的冰晶与液滴混合相态难以区分，且存在难以提供冰晶微物理参数的瓶颈问题。针对这两个问题，本文基于数字全息理论，利用全域数字图像融合方法、局部亮度梯度方差法和旋转卡壳法，结合固液相粒子圆度概念，实现了云中液滴和冰晶的混合相态识别，在特定圆度阈值下，液滴和冰晶的识别率大于93%；再结合光学图像识别技术，获得冰晶粒子的面积、周长、凸包和最小外接矩形数据；最终利用上述数据获得了冰晶微物理参数。通过在低温云室中的观测实验，获取了板状、枝状和六角冰晶的微物理参数，该方法解决了冰晶观测中的瓶颈问题。此外，通过冰晶采样间隔时间和不同时刻的质心三维坐标和等效直径，还可获得冰晶粒子的三维运动速度与轨迹。该方法对提升数值天气预报精确度，以及人工影响天气作业具有重大意义。
数字全息 粒子相态识别 冰晶 粒子速度
光子学报
2023, 52(12): 1201002
1 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州，310024
2 中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
视频光谱成像技术是目前遥感探测发展的一个重要方向，可以实现4维信息获取（两维空间+光谱+时间），对于动态目标探测等应用场景有十分重要的意义。目前的技术手段是以滤光片方式为主，不具备光栅作为分光元件时的高光谱分辨率优势。基于此，提出了非耦合狭缝阵列扫描光谱成像（uSASHI）和编码狭缝阵列扫描光谱成像（cSASHI）系统，通过增加狭缝数目的方式，实现同一时刻多个视场信息的获取，极大地提升信息获取效率。uSASHI的每个狭缝获取信息之间不会耦合，n条狭缝可以实现n倍的信息获取效率的提升，cSASHI的狭缝按照压缩感知理论排列，可以实现欠采样条件下（采样率α≤1）视频光谱成像，信息获取效率可以提升n/α倍。本文设计的系统最终实现了1024*496*30的光谱数据立方体10 Hz视频光谱成像方式，cSASH实现了更高帧频。所提系统为视频光谱成像技术提供了新的方向，为未来动态目标探测等应用打下了基础。
视频光谱成像 计算成像 压缩感知 遥感 video spectral imaging computational imaging compressed sensing remote sensing
1 湘潭大学机械工程学院，湖南 湘潭 411105
2 深圳信息技术学院智能制造与装备学院，广东 深圳 518172
激光抛光是一种非接触式绿色自动化抛光技术，可以替代传统的抛光技术。为了研究激光抛光对DC53淬硬钢表面质量问题，采用波长为1064 nm的连续激光对DC53淬硬钢表面进行抛光处理，研究了激光抛光后材料的表面粗糙度、硬度、杨氏模量、耐腐蚀性能以及加工表面亚表层微观组织的变化。结果表明：在激光功率为180 W、扫描速度为20 mm/s、扫描间距为0.06 mm时平均粗糙度从4.829 μm降低到0.505 μm，粗糙度降低约90%，同时抛光后材料的表面硬度及耐腐蚀性能相较于初始样品均有所下降，熔融区硬度下降约40%，自腐蚀电位下降约4%。
激光技术 激光抛光 表面形貌 功率谱密度分析 淬硬钢 显微组织 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0114004
中国工程物理研究院电子工程研究所, 四川绵阳 621999
基于加速度计或陀螺仪的测姿方法均存在大角度条件下姿态角误差放大、突变问题。对大俯仰角测量, 通过预置欧拉旋转法可确定冗余加速度计的布置方式, 降低了俯仰角测量误差。对大俯仰角条件下的滚转角测量, 提出基于角速率阈值判定的陀螺解耦测姿算法。当俯仰角速率大于设定阈值时, 采用角速度投影可钳制滚转角误差的漂移; 当俯仰角速率小于设定阈值时, 采用角速度积分可避免角速度投影造成的姿态误差放大。通过理论推导、分析和仿真, 预置欧拉旋转法能有效避免大俯仰角条件下俯仰角姿态误差放大, 陀螺解耦测姿算法能在振荡环境下长时间保持滚转角精确度。
双自由度 欧拉角 大角度 奇异性 多加速度计 two-degree-of-freedom Euler angle large-angle singularity multi-accelerometer 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(9): 946
1 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，浙江 杭州 310027
2 之江实验室传感系统研究中心，浙江 杭州 311100
光谱成像技术能够同时获取被测物体的二维空间及一维光谱信息，在科学检测与研究中发挥着重要作用。传统的高光谱成像系统存在着光学系统复杂、含有精密运动器件、曝光时间长等问题，这些问题极大地限制了其在许多场景的应用。介绍了一种基于旋转衍射机理的快照式高光谱成像系统，通过单次曝光成像和图像重建即可得到待测目标的高光谱信息。提出了一系列的系统设计优化方法以提升系统的成像性能和实用性，通过折衍射混合系统缩短光学系统后截距，通过引入前置光学系统探测远距离目标。实验结果表明，所提出的优化设计方法能够有效提高系统感光能力，提升重建图像的质量。
成像系统 光谱成像 系统优化 折衍射混合 衍射成像 计算成像 图像重建 光学学报
2022, 42(17): 1711001
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，浙江 杭州 310027
光子集成干涉成像是一种基于光子集成芯片获取目标傅里叶频谱信息的新兴成像技术。目前，能量损耗与噪声干扰是制约该技术发展的关键因素。为分析它们对光子集成干涉成像系统的影响，研究了基线长度与干涉信号能量的关系和噪声对成像质量的影响。研究结果表明输出信号的能量处于纳瓦量级。干涉信号的振幅与对比度会随着基线长度的增加而迅速减小。长基线下的干涉信号振幅极小，在探测器精度不够的情况下，干涉信号的对比度将无法获取。综合来看，光子集成干涉成像系统适合采集目标的低频信息，并且当将噪声控制在干涉信号强度的10-3、相位误差控制在1/40时才不会对成像结果产生较大的影响。
光学学报
2022, 42(13): 1311001
1 华东理工大学化工过程环境风险评价与控制国家环境保护重点实验室，上海 200237
2 上海博物馆，上海 200050
出土青铜器由于常年埋藏地下，很容易受到外界环境的侵蚀，生成不同种类的锈蚀。“有害锈”的存在会加速青铜基体的腐蚀。针对常见锈蚀疏松绿锈，用钕钇铝石榴石激光清洗器在干式、湿式和琼脂凝胶三种状态下，对其安全清洗阈值展开了研究。显微镜、原位拉曼光谱和能谱仪（EDS）对表面形貌和成分的表征分析结果显示，在湿式状态短自由运行（SFR）脉冲模式下，在2.83~8.49 J/cm2的安全阈值内，能得到较高的疏松绿锈的去除率，且符合文物保护的“不改变文物外貌”以及“最小介入”的规则。
激光光学 青铜器 激光清洗 疏松绿锈 安全阈值 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1114005
1 华南农业大学工程学院，广东 广州 510642
2 仲恺农业工程学院城乡建设学院，广东 广州 510006
3 佛山市中科农业机器人与智慧农业创新研究院，广东 佛山 528200
机器视觉对裂缝进行宽度测量时存在测量方向不能有效反映裂缝真实宽度方向、测量不精确的问题。为此，以水库大坝的裂缝为对象，主要研究了裂缝主干提炼和宽度测量方法。在图像细化的基础上进行进一步精简，得到裂缝的主干，其主干每点的八邻域总点数不超过2，精简了冗余的数据点，邻域分布种类数减至16种，增强了主干对裂缝形状的描述能力；融合主干宏观和微观特征作为宽度测量方向的依据，获得较对比方法更为准确的测量方向，实现裂缝宽度连续、准确的视觉测量。增加测量召回率与方向误差两种评估标准，全面地验证所提方法的准确性。所提方法具有实际工程应用的前景，并为其他细长不规则目标的径向视觉测量提供参考。
机器视觉 视觉测量 裂缝测量 图像细化 多尺度特征融合 激光与光电子学进展
2022, 59(10): 1015005
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了简化空间相机在轨高分辨率成像的促动方案,提出基于渐变厚度形式的主动变形镜双促动结构。首先根据弹性力学理论,建立波前像差表示方法与变形镜渐变厚度的理论关系,可以求解出各种像差模式所需的厚度分布。然后通过结构建模、有限元分析、面型拟合计算和光学性能评估的光机力一体化模拟仿真,定量化评估像差的补偿效果。最后设计渐变厚度变形镜光机结构方案和驱动方案,采用两个促动器来实现球差与像散的校正。变形镜受力形变实验结果表明,双促动变形镜可产生较好的球差与像散,能够避免印透效应,有效补偿自身的加工误差与光学系统的波前误差。
光学设计 主动光学 渐变厚度变形镜 高分辨率空间相机 像差校正 光学学报
2021, 41(24): 2422001
